传感器原理与检测技术

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1、传感器原理与检测技术17.1电流电流-电压变换器电压变换器 17.2电压电压-电流变换器电流变换器 17.3交流交流-直流变换器直流变换器 17.4电阻电阻-电压变换器电压变换器 17.5电容电容-电压变换器电压变换器 17.6电压电压-频率变换器频率变换器 17.7电压电压-脉宽变换器脉宽变换器第十七章第十七章 信号变换电路信号变换电路各种各样的传感器在应用中有不少共同点和需要注意各种各样的传感器在应用中有不少共同点和需要注意 解决的问题解决的问题，主要涉及到信号变换主要涉及到信号变换、驱动电路和外围电路驱动电路和外围电路 器件选择等问题器件选择等问题。本章着重讨论信号变换电路本章着重讨论信

2、号变换电路。 实际应用中实际应用中，敏感元件或传感器输出的信号可能是直敏感元件或传感器输出的信号可能是直 流电压流电压、直流电流直流电流，也可能是交流电压也可能是交流电压、交流电流交流电流，甚至甚至 是电阻值是电阻值、电容值等等电容值等等。在进行处理在进行处理、传输传输、接口接口、显示显示 记录过程中记录过程中，常常需要借助于各种信号变换器常常需要借助于各种信号变换器，进行信号进行信号 变换变换。 这些变换通常包括这些变换通常包括：利用利用I- U变换把直流电流变换把直流电流（I）变换成直流电压变换成直流电压 （U）；）； 利用利用u- U变换把交流电压变换把交流电压 (u)变换成直流电压变换

3、成直流电压（U） （亦称亦称 AC-DC变换变换）；）； 利用利用i- U变换把交流电流变换把交流电流(i)变换成直流电压变换成直流电压(U); 利用利用R- U变换把电阻值变换把电阻值 (R)变换成直流电压变换成直流电压（U） （亦称亦称 - U变换变换）；）； 利用利用C- U变换把电容量变换把电容量 (C)变换成直流电压变换成直流电压（U）；）； 利用利用f- U变换把频率变换把频率 (f)变换成直流电压变换成直流电压（U）；）； 利用利用U- H变换把电压变换把电压（U）变换成脉冲宽度变换成脉冲宽度（H）。）。 最简单的电流最简单的电流- 电压变换电路如图电压变换电路如图17- 1所示

4、所示， Uo=IiR 通常采用高输入阻抗运算放大器通常采用高输入阻抗运算放大器，如如LM356、CF3140 、 F071F074、 F353等等，可方便地组成电流可方便地组成电流- 电压变换器电压变换器。 一个简单的方案如图一个简单的方案如图17- 2所示所示。它能提供正比于输入电流的它能提供正比于输入电流的 输出电压输出电压，比例常数就是反馈电阻比例常数就是反馈电阻R，图图17- 1 最简单的电流最简单的电流- 电压变换电路电压变换电路图图17- 2 简单电流简单电流- 电压变换器电路电压变换器电路17.2 电流电流- 电压电压(I- U)变换器变换器即即 如果运算放大器是理想的如果运算放

5、大器是理想的，那么它的输入电阻为那么它的输入电阻为， 输出电阻为零输出电阻为零。阻值的大小仅受运放的输出电压范围和阻值的大小仅受运放的输出电压范围和 输入电流大小的限制输入电流大小的限制。 一种大电流一种大电流- 电压变换器电路如图电压变换器电路如图17- 3所示所示。 电路中电路中，利用小阻值的取样电阻利用小阻值的取样电阻s把电流转变为电压把电流转变为电压 后后，再用差动放大器进行放大再用差动放大器进行放大。输入电流在输入电流在0.1 1A范围范围 内内，交换精度为交换精度为0.50.5%。 根据该电路的结构根据该电路的结构，只要选用只要选用 R1=R2=RF,R3=R4=R5=R6=Rf,

6、则差动放大倍数为则差动放大倍数为oiUI R 72(1)()ff d FRRKRR由上式可见由上式可见，R7越小越小， Kd越大越大，调节调节Rw2，可以使可以使Kd在在 58274内变化内变化，当当Kd=100时时，电流电流- 电压变换系数为电压变换系数为 10V/A，运算放大器必须采用高输入阻抗运算放大器必须采用高输入阻抗（1071012）、）、 低漂移的运算放大器低漂移的运算放大器。图图17- 3 大电流大电流- 电压变换器电路电压变换器电路 微电流微电流- 电压变换电路如图电压变换电路如图17- 4所示所示。 该电路只需输入该电路只需输入5pA电流电流，就能得到就能得到5V电压输出电压

7、输出。图图 中中，输入级输入级CH3130本身输入阻抗极高本身输入阻抗极高，加上因同相输入端加上因同相输入端 和反相输入端均处于零电位和反相输入端均处于零电位，进一步减小了漏电流进一步减小了漏电流。如果如果 对输入端接线工艺处理得好对输入端接线工艺处理得好，其漏电流可以小于其漏电流可以小于1pA 。 第二级第二级CH3140接成接成100倍反相放大器倍反相放大器。根据输入电流根据输入电流 的极性的极性，一方面产生反相的电压输出一方面产生反相的电压输出，一方面提供负反一方面提供负反 馈馈，保证有稳定的变换系数保证有稳定的变换系数。 该电路的一个特点该电路的一个特点在于反馈引出端不是在在于反馈引出

8、端不是在Uo，而是在而是在 100和和9.9k电阻中间电阻中间。按常规的接法按常规的接法， 10G反馈电反馈电 阻产生的变换系数为阻产生的变换系数为1010，即即 5pA电流产生电流产生 0.05V电压电压。 但是该电路的反馈从输出电压的但是该电路的反馈从输出电压的 1/100分压点引出分压点引出，将灵将灵 敏度提高了敏度提高了100倍倍。于是于是，当输出当输出Uo=5V时时，反馈电阻两端反馈电阻两端 的电压为的电压为50mV，这时仅需电流为这时仅需电流为50mV/10G=5pA。图图17- 4微电流微电流- 电压变换器电路电压变换器电路 17.2.1负载浮动的负载浮动的U- I变换器变换器

9、一个简单的一个简单的U- I变换器电路如图变换器电路如图17- 5所示所示。它类似于一它类似于一 个同相放大器个同相放大器，RL的两端都不接地的两端都不接地。利用运算放大器的分析利用运算放大器的分析 概念概念，可得输出电流与输入电压的关系为可得输出电流与输入电压的关系为调节调节Rw就可以改变输入电压与输出电流之间的变换系就可以改变输入电压与输出电流之间的变换系 数数。通常所用的运算放大器其输出最大电流约为通常所用的运算放大器其输出最大电流约为20mA，为为 了降低运算放大器功耗了降低运算放大器功耗，扩大输出电流扩大输出电流，在运算放大器的输在运算放大器的输 出端可加一个三极管驱动电路出端可加一

10、个三极管驱动电路，如图如图17- 6所示所示。该电路的输该电路的输 入为入为 01V，输出为输出为010mA。1i O wUIRR17.2 电压电压- 电流电流（U- I)变换器变换器图图17- 5 简单的简单的U- I变换器电路变换器电路图图17- 6 带三极管驱动的带三极管驱动的U- I变换器电路变换器电路17.2.2 负载接地的负载接地的U- I变换器变换器 一种负载接地的一种负载接地的U- I变换电路如图变换电路如图17- 7所示所示。该变换器该变换器 的工作原理与浮动负载的工作原理与浮动负载U- I变换器的类似变换器的类似。所不同的是所不同的是，电电 流采样电阻流采样电阻R7是浮动的

11、是浮动的，而负载而负载RL则有一端接地则有一端接地，所以需所以需 要两个反馈电阻要两个反馈电阻R3和和R4。当当R1= R2， R3= R4+ R7时时，输输 出电流为出电流为图图17- 7 负载接地的负载接地的U- I变换器电路变换器电路317OiRIUR R对于来自传感器的微弱电压信号对于来自传感器的微弱电压信号，实现远距离传输是比实现远距离传输是比 较困难的较困难的。此时此时，将电压信号变换为电流信号后再进行长线将电压信号变换为电流信号后再进行长线 传输传输，就可得到满意的效果就可得到满意的效果。 图图17- 8所示就是一个精度较高的电压所示就是一个精度较高的电压- 电流变化器电路电流变

12、化器电路。 如图中所示如图中所示，运算放大器运算放大器A1A2以及有关元件一起组成差以及有关元件一起组成差 动放大器动放大器，其共模和差模输入阻抗高大其共模和差模输入阻抗高大109， A1和和A2经过经过 选配选配，可获得很低的温度漂移和很强的共模抑制能力可获得很低的温度漂移和很强的共模抑制能力。放大放大 倍数在倍数在34200之间连续可调之间连续可调。 运算放大器运算放大器A3以及周围元件组成一个高精度的压控双以及周围元件组成一个高精度的压控双 向电流源向电流源。当当Ui=0时时， A3的输入也为零的输入也为零，达到平衡达到平衡，其静其静 态电流在态电流在Rb上产生压降上产生压降，给四只晶体

13、管提供一定的偏差给四只晶体管提供一定的偏差。当当A3的输入端出现差动信号时的输入端出现差动信号时，其正其正、负电源线上的负电源线上的 两个电流就不相等两个电流就不相等，二者朝相反方向变化二者朝相反方向变化，从而使复合管从而使复合管 V1V2、 V3V4的电流也朝相反的方向变化的电流也朝相反的方向变化，这两个电流的这两个电流的 差值就是输出电流差值就是输出电流Io。 从复合管的发射极取出负反馈信号给从复合管的发射极取出负反馈信号给As，不仅提不仅提 高了输出电流高了输出电流Io的稳定性的稳定性，而且抑制了共模信号对输出的而且抑制了共模信号对输出的 影响影响。采用复合管可提供很大的负载电流采用复合

14、管可提供很大的负载电流，负载既可直接负载既可直接 接地接地，也可浮动也可浮动，并且能带动多个负载同时工作并且能带动多个负载同时工作。图图17- 8 高精度高精度U- I变换器电路变换器电路把交流电压变换成直流电压亦称把交流电压变换成直流电压亦称AC- DC变换变换。图图17- 9是是 使用二极管的整流电路使用二极管的整流电路，利用半波整流把交流电变成直流利用半波整流把交流电变成直流 电电。直流输出电压直流输出电压Uo可用下式表示可用下式表示：式中式中Um是被测交流电压的峰值是被测交流电压的峰值。但是从图但是从图17- 10所示硅二极所示硅二极 管的正向伏安特性可以看出管的正向伏安特性可以看出，

15、用硅二极管进行半波整流时用硅二极管进行半波整流时， 如果如果Um Ui时时， A2输出输出 负向饱和值负向饱和值。 A2的输出是矩形脉冲波的输出是矩形脉冲波，如图如图17- 26所示所示。 矩形波的周期等于三角波的周期矩形波的周期等于三角波的周期，是恒定值是恒定值。图图17- 26所示的脉冲宽度所示的脉冲宽度H可利用相似三角形的关系求可利用相似三角形的关系求 得得。由图由图17- 27可见可见：式中式中U1为三角波幅值为三角波幅值。由前面推导可知由前面推导可知图图17- 26 比较器比较器A2的输出波形的输出波形1 2iIUUH TU图图17- 27 H与与Ui的关系的关系显然显然，脉冲宽度脉冲宽度H与输与输 入信号入信号Ui成线性关系成线性关系。2 1 12122(1)wiwRUURRURR RU于是有TH=2为了使为了使 U- H变换器的量程及零点满足设计要求变换器的量程及零点满足设计要求，常在常在 A2的同相端引入一负的偏置电压的同相端引入一负的偏置电压（- Ub）,此时此时,1221()22ib wRRTHUUR U 为保证三角波的良好线性为保证三角波的良好线性，通常通常Uw=45V。